生物有機肥對稻田土壤Cd形態和糙米Cd含量的影響

李小飛 代兵 何曉峰

摘要 [目的]探究不同生物有機肥施用量對稻田土壤Cd形態和糙米Cd含量的影響。[方法]采用盆栽試驗研究了不同有機肥增施量對水稻主要生育期內土壤pH、有機質和Cd賦存形態的動態變化以及糙米中Cd含量的影響。[結果]與對照相比，25～45 g/kg有機肥增施量條件下，水稻分蘗期土壤pH顯著提高0.40～0.42，有機質含量顯著增加1.74～3.1 mg/kg，有效態Cd下降15.7%～40.7%;孕穗期土壤pH顯著提高1.08～1.14，有機質含量顯著增加7.48～9.68 mg/kg，有效態Cd下降13.6%～38.8%;揚花期土壤pH顯著提高1.30～1.53，有機質含量顯著增加8.38～9.19 mg/kg，有效態Cd下降10.0%～36.7%;成熟期土壤pH顯著提高0.97～1.13，有機質含量顯著增加6.54～8.81 mg/kg，有效態Cd下降9.2%～36.8%;水稻成熟后的糙米中Cd含量顯著下降67.7%～72.3%。隨著有機肥施用量增加，土壤pH、有機質含量以及糙米中Cd含量并無明顯的變化。[結論]水稻種植過程中增施生物有機肥能有效提高酸性土壤的pH，增強土壤的酸堿緩沖能力，并顯著提升土壤中的有機質含量，促使土壤中Cd由生物活性較強的弱酸提取態向可還原態轉化，從而達到抑制水稻對Cd的吸收，顯著減少糙米中Cd積累的目的。

關鍵詞 生物有機肥;水稻;水稻生育期;糙米;鎘

Abstract [Objective]To explore the effects of bio-organic fertilizer on soil cadmium fractions and cadmium accumulation in rice. [Method]Pot experiment was conducted to investigate the dynamic changes of soil pH， organic matter （OM）， cadmium （Cd） fractions in rice growth period and the accumulation of Cd in brown rice. [Result]Compared with CK， under the condition of 25-45 g/kg bio-organic fertilizer， the pH of soil increased by 0.40-0.42， the OM increased by 1.74-3.10 mg/kg， and the available Cd decreased by 15.7%-40.7% during tillering period;the soil pH increased by 1.08-1.14， the OM increased by 7.48-9.68 mg/kg， and the available Cd decreased by 13.6%-38.8% during booting period;the soil pH increased by 1.30-1.53， the OM increased by 8.38-9.19 mg/kg， and the available Cd decreased by 10.0%-36.7% during flowering period;the soil pH increased by 0.97-1.13， the OM increased by 6.54-8.81 mg/kg， and the available Cd decreased by 9.2%-36.8% during maturing period. In addition， the efficiency of reducing Cd increased with the increase of bio-organic fertilizer application. As the amount of bio-organic fertilizer applied increased， there was no significant difference in soil pH，OM， and brown rice Cd content.[Conclusion]The application of bio-organic fertilizer could effectively improve the pH value and acid-base buffer capacity of soil， increase the OM content， and promote the transformation of Cd in the soil from acid-extractable fraction with biological activity to reducible fraction， thus inhibiting the absorption of Cd by rice and significantly reducing the Cd content in brown rice.

Key words Bio-organic fertilizer;Rice;Rice growth period;Brown rice;Cadmium

隨著工礦業的發展，大量的重金屬污染物通過污水灌溉以及大氣沉降等途徑進入到農田土壤環境中，造成農產品重金屬含量超標，嚴重威脅我國的糧食安全[1-2]。鎘（Cd）是自然界中分布廣泛的一種高危害有毒致癌類物質，易被水稻吸收，具有蓄積性強、毒性持久的特點[3]。近年來，多地出現的鎘大米事件使得農田鎘污染逐漸受到人們的關注，如何抑制水稻對鎘的吸收，降低稻米中的鎘含量已成為農業生態環境領域研究的熱點之一[4-6]。原位鈍化修復是通過向農田土壤中施加石灰等鈍化理調劑，改變鎘在土壤中的賦存形態和生物活性，從而抑制農作物對鎘的吸收，達到受污染農田土壤安全利用的目的，具有操作簡單以及見效快等優點[7]。近年來，隨著農業生產過程中有機肥料的大力推廣應用，以生物有機肥作為土壤調理劑解決農田鎘污染已成為研究熱點。研究表明，施用有機肥可改變土壤中的有機質含量和pH，降低土壤中重金屬的生物有效性，從而抑制農作物根系對重金屬的吸收，且在重度污染農田中效果更為顯著[8-9]。馬鐵錚等[10]將含枯草芽孢桿菌生物有機肥施用于水稻種植，結果表明該有機肥不僅提高了土壤pH和養分，并顯著降低土壤有效態鎘含量，糙米Cd含量下降了22%。鄒傳等[11]研究發現，施加不溶性腐殖酸濾渣可顯著降低土壤中有效態Cd含量，且鈍化效果隨著濾渣粒徑減小而增強。然而，張佳等[12]研究表明，在水稻種植過程中施用菜籽餅肥會導致土壤孔隙水中DOC、DON和可溶性鎘含量升高，從而促進了水稻對Cd的吸收和累積，不利于稻米的安全利用。YM菌生物有機肥為牲畜糞尿等經超高溫發酵的產物，具有高有機質和生物酶的特點。雖然前人在有機肥應用于農田土壤改良等方面已經做了一定量的研究，但極少涉及以超高溫發酵條件下獲得的生物有機肥作為調理劑的應用試驗，因此以該類生物有機肥作為土壤調理劑應用于農田重金屬污染治理中對土壤中鎘有效性、糙米Cd含量等的影響亟待研究。筆者以YM菌生物有機肥作為外源有機肥，通過大棚盆栽試驗對水稻生育期內土壤Cd賦存形態的動態變化以及糙米中Cd含量進行了研究，初步探討了不同有機肥施用量處理的水稻在分蘗期、孕穗期、揚花期和成熟期共4個階段中土壤的pH、有機質、Cd賦存形態以及糙米Cd含量的差異，旨在為當前我國鎘污染農田土壤修復技術開發和糧食安全生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤來源于廣東省韶關市仁化縣董塘鎮某冶煉廠周邊農田（113°39′36.17″E，25°06′35.39″N）水稻田耕作層。土壤pH 5.15，總Cd含量2.27 mg/kg，超過《土壤環境質量 農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）中水稻田土壤鎘濃度標準限值6.5倍，屬重度污染;YM菌生物有機肥由鵬鷂環保股份有限公司提供;水稻由廣東省韶關市仁化縣當地農資站提供，品種為廣東省韶關市常規晚稻美香粘2號。供試土壤和YM菌生物有機肥基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計

將供試土壤置于陰涼處自然風干，去除石塊、根系等雜物后破碎過18目篩，干燥保存待用。根據YM菌生物有機肥施用量梯度（0、25、35、45 g/kg）共設置4組處理（CK、YM25、YM35、YM45），每組處理9個重復，在各組水稻分蘗期、孕穗期、揚花期、成熟期分別采集土壤和水稻植株樣品。盆栽試驗在廣東省生態環境技術研究所內的溫室大棚試驗基地內進行。

2018年4月4日根據試驗方案將有機肥與供試土壤充分混勻，用自來水將盆栽內的土壤均淹水熟化7 d;2018年4月11日進行水稻秧苗移栽，每盆2株幼苗。在水稻前中期生長過程中均持續水淹處理，但在分蘗后期開始減少淹水水分以及烤田處理，在所有必要的處理中使用常用農藥。2018年8月9日水稻移植后120 d成熟收獲。

1.3 樣品采集與處理

分別于水稻移栽后39 d（分蘗期）、64 d（孕穗期）、93 d（揚花期）、120 d（成熟期）采集土壤和水稻糙米樣品。將采集的土壤樣品置于陰涼處自然風干，去除根系后破碎依次過10目和100目篩，待測。將水稻糙米樣品用去離子水洗凈，置于80 ℃烘箱內烘干，碾磨待測。

1.4 測試項目與方法

采用0.01 mol/L氯化鈣浸提，電位法測定土壤pH;采用去極化法測定土壤氧化還原電位（Eh）;采用重鉻酸鉀比色法測定土壤有機質含量（OM）;采用中性乙酸銨交換法測定土壤陽離子交換量（CEC）;采用石墨爐原子吸收分光光度法測定土壤Cd全量;采用BCR連續提取法對土壤中Cd進行賦存形態分析;采用硝酸-高氯酸（9+1）混酸消解，原子吸收分光光度計石墨爐法測定糙米中Cd含量[13]。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2013和SigmaPlot進行數據和圖形處理，采用SPSS 20.0顯著性Ducan檢驗法進行各處理間的差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 有機肥對土壤pH和有機質的影響

2.1.1 土壤pH。

由表2可知，增施生物有機肥能有效改善酸性土壤的酸堿緩沖能力，提高水稻在生長過程中土壤的pH。CK處理的土壤pH自水稻分蘗期至揚花期逐漸降低，但之后隨著水稻生育期的延長又出現回升的情況。其原因可能一方面由于淹水使土壤與空氣隔絕，土壤鐵氧化物的還原溶解作用使得酸性土壤pH向中性靠攏，但在水稻移植后至揚花期的快速生長過程中其根系會分泌部分酸性物質，促使土壤pH下降，造成該階段內的土壤pH呈快速下降趨勢[14];另一方面，隨著揚花后期烤田過程的延長，土壤中的水分蒸發使得鹽分在表層土壤中積累導致土壤pH又逐漸升高[15]。

與CK相比，增施25～45 g/kg生物有機肥的水稻在分蘗期、孕穗期、揚花期和成熟期土壤pH平均值分別顯著提高0.4～0.42、1.08～1.14、1.3～1.53和0.97～1.13，整個水稻生育過程中的土壤pH保持在6.5以上，說明該有機肥施用能有效提高酸性稻田土壤的pH以及增強土壤的酸堿緩沖能力，與陳紅金等[16]有機肥有利于改良酸性土壤的研究結果基本一致。此外，隨著有機肥施用量增加，水稻各生育期內的土壤pH無顯著變化，說明提高生物有機肥增施量對酸性土壤的pH改良效果影響不大。

2.1.2 土壤有機質。

由表3可知，增施生物有機肥能顯著提高土壤的有機質含量。CK處理的土壤中有機質含量自水稻分蘗期至揚花期生長過程中減少6.38 g/kg，但之后隨著水稻生育期延長至成熟期，土壤有機質又逐漸增加。其原因可能一方面，水稻在移植返青進入分蘗期后，快速生長過程需要吸收大量的養分，導致初期土壤有機質含量迅速減少，但隨著水稻成熟以及烤田過程的延長，有機質礦化速率逐漸減慢;另一方面，水稻生育過程為淹水-烤田的水分管控，前期的淹水處理使得土壤中的可溶性有機碳進入到水體中，成熟期的持續烤田處理則促使部分溶解性有機質又重新進入到土壤中，從而導致后期有機質含量又出現微增的情況[17]。

與CK相比，增施25～45 g/kg生物有機肥處理的土壤有機質含量在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期和成熟期分別顯著提高1.74～3.1、7.48～9.68、8.38～9.19和6.54～8.81 g/kg，整個水稻生育過程中土壤有機質含量均超過33 g/kg，說明該有機肥施用能有效提高酸性稻田土壤中的有機質含量。在整個水稻生育過程中，YM25處理的土壤中有機質含量呈先減少后微增的趨勢，YM35處理的土壤有機質含量呈逐漸升高的過程，而YM45處理的土壤有機質含量則出現先增加后逐漸減少的情況，其原因可能與有機肥施用的緩釋效果以及水稻的生長情況有關[18]。水稻進入分蘗期后，快速生長過程中有機質礦化速率加快，由于25 g/kg有機肥增施量條件下的有機質緩釋量低于消耗量，土壤中有機質呈下降趨勢，但隨著施用量提高到35～45 g/kg后緩釋量逐漸高于消耗量，土壤中有機質含量呈增加趨勢;隨著生育期延長，水稻生長速率逐漸減慢，有機質緩釋量與消耗量處于供給平衡狀態，土壤中有機質含量無顯著差異;水稻生長后期，由于持續烤田處理使得部分溶解性有機質又重新進入到土壤中，從而導致水稻成熟期的土壤有機質含量又呈增加趨勢。由于有機質礦化速率與水稻生物量成正比，YM45處理的水稻生物量最大，有機質消耗速率更快，因此造成其在水稻孕穗期后土壤有機質含量呈逐漸減少的趨勢。

2.2 有機肥對土壤中Cd賦存形態的影響

由圖1可知，隨著水稻生育期的延長，各處理的土壤中Cd全量均呈逐漸下降的趨勢。與分蘗期相比，CK和YM45處理的土壤在水稻成熟后Cd全量顯著減少，說明該處理條件下更多土壤中的Cd被水稻吸收和積累。此外，CK處理的土壤中弱酸提取態Cd含量隨著水稻由分蘗期至成熟期生長過程的延長，由1.08 mg/kg顯著減少至0.87 mg/kg，其他形態的Cd則無顯著變化，說明水稻在生長過程中主要吸收弱酸提取態Cd，而對其他形態的Cd影響不大。

與CK相比，增施25～45 g/kg生物有機肥處理的土壤中弱酸提取態Cd在水稻分蘗期、孕穗期、揚花期和成熟期分別下降15.7%～40.7%、13.6%～38.8%、10%～36.7%、9.2%～36.8%，且降幅與增施量成正比;可還原態Cd分別增加25%～37.1%、31.5%～44.8%、25.5%～38.8%、29.6%～40.6%，且增幅與增施量成正比;可氧化態Cd無顯著變化，而殘渣態Cd則略有增加。由此可知，增施生物有機肥能夠促使土壤中弱酸提取態Cd向可還原態Cd和殘渣態轉化，有利于降低土壤中Cd的生物活性，與姚桂華等[19]有機肥施用能夠顯著降低土壤中有效態Cd含量，從而一定程度上降低環境風險等研究結果一致。

2.3 有機肥對糙米中Cd含量的影響

由圖2可知，CK處理的水稻糙米中Cd含量為0.65 mg/kg，超過了《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）糙米中Cd的標準限值（0.2 mg/kg）2.2倍，說明未施加任何防控措施的情況下，在供試土壤中種植水稻易出現“鎘大米”風險。

與CK相比，施用25～45 g/kg有機肥的3種處理水稻糙米中的Cd含量下降了67.7%～72.3%，且隨著施用量增加降鎘效果更為顯著。由此可推斷，YM菌生物有機肥施用能有效阻隔水稻對土壤中Cd的吸收，顯著降低糙米中Cd含量。水稻對鎘的吸收隨土壤中Cd含量的升高而迅速增加，糙米中Cd含量與土壤有效態Cd含量呈顯著正相關[20-21]。YM菌生物有機肥施用通過影響土壤pH和有機質，在整個水稻生育過程中維持pH高于6.5以及有機質含量高于33 g/kg的生長環境，促使土壤中Cd由活性較強的弱酸提取態向可還原態和殘渣態轉化，進而抑制了水稻對Cd的吸收，降低了糙米中Cd含量[22-23]。此外，當施用量為45 g/kg時，水稻糙米中Cd含量低于《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762—2017）標準限值（0.2 mg/kg），說明增加YM菌生物有機肥施用量有利于減少水稻糙米中的Cd，最終達到安全生產的標準要求。

3 結論與討論

有機肥主要通過提高土壤pH、有機質含量以及生物酶活性等來降低土壤有效態Cd含量，其中土壤pH以及有機質含量可直接影響土壤中Cd的賦存形態[24-25]。該研究中施用生物有機肥處理能有效提高水稻主要生育期內土壤的pH和有機質含量，促使土壤中Cd賦存形態由弱酸提取態向可還原態轉化，其研究結果與前人基本一致，但也發現不同施用量條件下存在一定的效果差異。增施25～45 g/kg生物有機肥條件下，雖然隨著施用量增加土壤pH和有機質含量并無顯著變化，但土壤中有效態Cd含量呈顯著下降趨勢，其原因可能與淹水-烤田的水分管控、有機質的緩釋效應和水溶效應等因素有關。淹水和有機肥施用促使了水稻生長過程中土壤的pH向中性靠攏，但有機肥中有機質的緩釋效應又使得土壤中有機質含量并無明顯的變化;此外，由于土壤中Cd2+結合點位與有機肥施用量成正比，增加施用量從而促使了土壤中Cd由弱酸提取態向可還原態轉化。

糙米中Cd含量與土壤有效態Cd含量呈顯著正相關[26-27]。該研究中增施生物有機肥，一方面通過提高pH和有機質含量促使土壤中Cd由弱酸提取態向可還原態轉化，另一方面生物有機肥中由于含有能夠促進微生物代謝，從而降低土壤中有效態Cd的較高活性生物酶，多重因素共同抑制了水稻對土壤中Cd的吸收，進而顯著減少了糙米中Cd積累量，糙米降鎘率超過67%，達到了較好的修復效果。

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